专利名称：深刻蚀三角槽形石英透射偏振分束光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信，特别是一种深刻蚀三角槽形石英透射偏振分束光栅。
技术背景信息时代随着科学技术的迅猛发展，人类社会正向信息社会演变。信息传 送量正以一种加速度的形式膨胀，这就要求传输网络越来越大。现有的以电为 基本传输介质的物理层而构筑的网络已到了其极限，带宽匮乏、速度慢、灵活性差。随着"电子通信时代"向"信息通信时代"的转化，人们要求在任何地 方、任何时间以任何方式随时都可以获得大量信息。这些要求导致了语音、图像、数据等信息的急剧增长，尤其是Internet的迅速发展，使得人们对通信网容 量的需求越来越大。用光波作为载波，它的极高的时间、空间带宽积，高度的 并行性和无干扰性，在信息高速传送和处理时，具有光损耗小、信号无畸变、 无时钟歪斜等优点。光纤通信具有大容量、低损耗、远距离传输等优点，是满 足快速增长带宽需求的重要技术手段。空间光交换网络被认为是处理速度最快、 传输率最快、最理想的空间光子交换网络系统。为了增加带宽和减少不同通道 间的串扰要用到不同的偏振态。偏振分束器是光交换网络中基本的元件，它可 以将光分成两束偏振模式相互垂直的偏振光。大多数应用中，人们往往需要高消光比、高透射率或反射率、较宽的可操 作波长范围和角度带宽、体积小的偏振分束器。传统的偏振分束器是基于一些 晶体的自然双折射效应(例如Thomson棱镜、Nicol棱镜和Wollaston棱镜)或 者多层介质膜的偏振选择性。但是，利用双折射晶体所制成的偏振分束器体积 大、价格昂贵；而薄膜偏振分束器一般工作带宽较小，薄膜层数达到几十层， 对均匀性和对称性要求较严，加工较难，消光比很难做得很高。随着微制造技 术的快速发展，亚波长光栅所表现出来的特有的光学效应越来越受到人们的广 泛关注。近来， 一些研究工作报道了表面浮雕型光栅作为偏振分束器。与其它 偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光栅结构紧凑，易于小型化和集成化， 并且插入损耗小，是一种无热器件。尤其是深刻蚀熔融石英光栅，损伤阈值很高，热膨胀系数小，能够在高强度激光和对稳定性要求严格的环境中工作。偏 振分束光栅的制造可以借助成熟的微电子工艺技术，造价小，能够大量生产， 具有重要的实用前景。深刻蚀三角光栅的制作可以利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具 有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于 体光栅，具有高效率的体光栅布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀的 平面光栅完全不同。高密度深刻蚀三角光栅的衍射理论，不能由简单的标量光 栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理 论的算法在先技术1: M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。在先技术1550纳米波长的石英反射偏 振分束光栅，周常河、王博，专利号为ZL2006100234207给出了实现偏振分 光的深刻蚀矩形光栅装置。相对深刻蚀矩形光栅，三角槽形的深刻蚀光栅可视 为由一系列薄的浅刻蚀矩形光栅平板叠加构成，其槽形的占空比梯度渐变，因 此，可以获得更高的透射效率。据我们所知，没有人针对光纤通信的1.55微米 波段给出深刻蚀高密度石英透射偏振分束的三角光栅的设计参数。发明内容本发明要解决的技术问题是针对光纤通信的1.55微米波段提供一种深刻蚀 三角槽形石英透射偏振分束光栅，该光栅可以将TE、 TM两种偏振模式相互垂 直的光分为不同的方向，在C+L波段，实现-l级和O级衍射光较高的消光比， TE偏振光的-1级透射衍射效率和TM偏振光的0级透射衍射效率分别高于 97.68%和98.88%。因此能够实现高消光比、高衍射效率深刻蚀熔融石英透射偏 振分束三角光栅，具有重要的实用意义。本发明的技术解决方案如下一种用于常用波段1.55微米光纤通信的深刻蚀三角槽形石英透射偏振分束 光栅，其特点是该光栅的周期为900纳米、光栅的刻蚀深度2.78-3.16微米。所述的高密度深刻蚀石英三角光栅的周期为900纳米，光栅的刻蚀深度为 2.966微米。本发明的依据如下图1显示了高密度深刻蚀石英三角光栅的几何结构。区域1、2都是均匀的,分别为空气(折射率ni:l)和熔融石英(折射率n2:1.45)。光栅矢量I位于 入射平面内。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏 振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。 一线性偏振的光波以一定 角度e^sin"(Ay(2fd))入射(定义为Littrow条件，即_1级反射光沿原入射光的 方向返回)，人代表入射波长，d代表光栅周期。该偏振分束光栅的消光比定义为 -1级衍射光中TE、 TM偏振模式效率之比和0级衍射光中TM、 TE偏振模式效 率之比中较小的一值。在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论在先技术1计 算了深刻蚀熔融石英三角光栅在光纤通信常用的1.55微米处的消光比和衍射效 率。如图2所示，依据理论计算得到周期为900nm的三角光栅随深度变化时， 透过率变化的曲线。当光栅的刻蚀深度为2.6~3.3微米时，TE光-1级衍射效率 大于95.26%， TM光O级衍射效率大于99.17%。当刻蚀深度在2.78~3.16微米 之间时，偏振分束光栅的消光比大于100， TE偏振光的-1级透射衍射效率和TM 偏振光的0级透射衍射效率分别高于98.1%和99.2%。特别是光栅周期为900纳 米，刻蚀深度为2.966微米时，可以使偏振分束光栅的消光比大于104， TE偏振 光-1级透射衍射效率为99.13%, TM偏振光0级透射衍射效率为99.55%。如图3所示，光栅的周期为900纳米，深度为2.966微米，若考虑1550纳 米附近两种偏振模式的入射光各自以对应的Littrow角度入射到光栅时，该偏振 分束光栅在1512~1601纳米波长范围内所有波长的消光比均可以达到100左右。 对应的89纳米的谱宽范围上，TE偏振光的-1级透射衍射效率和TM偏振光的0 级透射衍射效率分别高于97.68%和98.88%。如图4所示，TE/TM偏振模式的入射光以59.44°角度(对应于入- 1550纳 米)附近入射到光栅时，光栅的周期为900纳米，深度为2.966微米，该偏振分 束光栅在57.2°~61.5°角度范围内所有入射角的消光比均可以达到100以上。对 于54 66° (共12°)的角度带宽上，TE偏振光的-1级透射衍射效率和TM偏振光 的0级透射衍射效率分别高于90.45%和97.39%。
图1是本发明1550纳米波长的石英透射偏振分束三角光栅的几何结构。 图2是本发明透射偏振分束三角光栅(熔融石英的折射率取1.45)在周期 为900nm，不同刻蚀深度下的透过率变化曲线。入射波长取为1550nm。图3是本发明透射偏振分束三角光栅(熔融石英的折射率取1.45)在周期 为900nm，深度为2.966微米时，入射波Littrow入射条件下，透过率随波长变 化的曲线。波长范围为1480-1620nm，覆盖了C+L波段。图4是本发明透射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45)光栅周期为 900纳米、光栅深度2.966微米，当入射角变化时，透过率变化的曲线。入射波 长为1550nm。
具体实施方式
本发明的深刻蚀三角槽形石英透射偏振分束光栅，该光栅的周期为900纳 米、光栅的刻蚀深度2.78-3.16微米。可以利用微光学技术制造高密度偏振分束 三角光栅，首先在干燥、清洁的熔融石英基片均匀涂上一层正光刻胶(Shipley, S1818, USA)。然后采用全息记录方式记录光栅，He-Cd激光器(波长为0.441pm) 发出两束平面波以2e夹角在基片上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的 间距)可以表示为八= 1/(2*31110)，其中入为记录光波长。记录角e越大，则A越小，所以通过改变e的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述消光比和效率图设计)，记录高密度光栅。接着，显影后，在基底表面形成光刻胶光栅。最后， 将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀(也可以 使用反应离子束刻蚀工艺)，把全息曝光的光刻胶光栅转移到石英基片上，就得 到高密度表面浮雕结构的石英光栅。在制作的过程中，需要严格控制光刻胶的 厚度，曝光时间，以及刻蚀速率和刻蚀时间，以使得光栅槽形更加接近三角形， 且深度较深。在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得高消光比、高衍射效率的石英偏振分束三角光栅。结合图2可知，该光栅的周期为900纳 米、刻蚀深度为2.78 3.16微米时，偏振分束光栅的消光比大于100， TE偏振光 的-1级透射衍射效率和TM偏振光的0级透射衍射效率分别高于98.1%和 99.2%，实现了将两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向。特别是光栅周期 为900纳米，刻蚀深度为2.966微米时，本发明可以使偏振分束光栅的消光比达 到高于104， TE偏振光-1级透射衍射效率为99.13%， TM偏振光O级透射衍射 效率为99.55%。本发明的高密度石英透射三角光栅作为偏振分束器，具有很高的消光比和 透射效率，不必镀金属膜或介质膜，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、 可靠，是偏振分束器的一种重要的实现技术。原理上，对任意波长都有相应的 结构能实现其偏振分光功能。
权利要求
1. 一种用于常用波段1.55微米光纤通信的深刻蚀三角槽形石英透射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为900纳米，光栅的刻蚀深度为2.78～3.16微米。
2、 根据权利要求1所述的深刻蚀三角槽形石英透射偏振分束光栅，其特 征在于所述的光栅的周期为900纳米，光栅的刻蚀深度为2.966微米。
全文摘要
一种用于常用波段1.55微米光纤通信的深刻蚀三角槽形石英透射偏振分束光栅，其特点是该光栅的槽形为三角形，周期为900纳米、刻蚀深度为2.78-3.16微米时，-1级光同0级光的消光比均大于100，TE偏振光的-1级透射衍射效率和TM偏振光的0级透射衍射效率分别高于95.26％和99.17％。本发明石英光栅可由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，可以低成本、大批量生产。
文档编号G02B5/18GK101271169SQ200810036639
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者周常河, 郑将军 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所